渠紅霞,袁 超,向德強(qiáng)

(湖南科技大學(xué) 巖土工程研究所， 湖南 湘潭市 411201)

1 引 言

近年來，在大量的工程實(shí)踐與室內(nèi)錨固系統(tǒng)的剪切流變?cè)囼?yàn)的基礎(chǔ)上，我們可以得到如下結(jié)論：錨固界面是完整錨固系統(tǒng)中相對(duì)薄弱的部位，破壞大部分是在這些部位發(fā)生的。錨固界面的蠕變力學(xué)性質(zhì)影響著錨固體的時(shí)效變形和長期強(qiáng)度，對(duì)錨固系統(tǒng)的穩(wěn)定往往起著決定性的影響作用。目前，國內(nèi)外學(xué)者已針對(duì)錨固界面的失穩(wěn)破壞提出較多流變模型，在剪切流變?cè)囼?yàn)過程中，由于時(shí)間效應(yīng)的作用，材料會(huì)有損傷破壞，考慮到錨固界面上剪應(yīng)力的分布方位及大小問題，某些學(xué)者引入損傷力學(xué)理論，建立了諸多考慮錨固界面流變損傷的流變模型，對(duì)本構(gòu)方程、蠕變方程和松弛方程有了一些新的認(rèn)識(shí)。劉保國等通過對(duì)泥巖蠕變損傷試驗(yàn)的研究，建立了泥巖的力學(xué)參數(shù)損傷函數(shù)，并分析了不同應(yīng)力水平及不同時(shí)長下力學(xué)參數(shù)的衰減變化規(guī)律，對(duì)錨固系統(tǒng)蠕變損傷力學(xué)的研究提供了良好的思路和借鑒；伍國軍采用蠕變經(jīng)驗(yàn)公式建立了基于經(jīng)驗(yàn)的工程巖體非線性蠕變損傷模型，豐富了巖體流變效應(yīng)的本構(gòu)模型，通過對(duì)蠕變損傷特性的分析，得到損傷因子隨應(yīng)變及時(shí)長的變化規(guī)律；張振普運(yùn)用元件模型理論對(duì)錨固體蠕變特性的模型試驗(yàn)進(jìn)行研究，對(duì)巖石流變變形在不同應(yīng)力水平下的特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的總結(jié)，并建立蠕變方程，確定參數(shù)數(shù)值。此外，還有一些學(xué)者對(duì)錨固系統(tǒng)流變力學(xué)及其工程應(yīng)用有若干研究。但總的說來，錨固系統(tǒng)界面的力學(xué)蠕變特性研究還缺乏系統(tǒng)性的理論，因此仍有待更深入的研究。

本研究通過觀察室內(nèi)剪切流變?cè)囼?yàn)結(jié)果，對(duì)錨固界面的蠕變力學(xué)特性展開了一系列研究。探討錨固界面蠕變損傷特性和損傷演化規(guī)律，提出反映界面性狀特征和時(shí)間綜合影響的蠕變損傷變量，為以后建立蠕變損傷演化方程提供一定思路。

2 蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)過程

本研究采用在RYL—600型微機(jī)控制的流變?cè)囼?yàn)機(jī)基礎(chǔ)上加以改進(jìn)的流變?cè)囼?yàn)機(jī)，改進(jìn)后的試驗(yàn)儀精度和能提供的最大垂直拉力均滿足要求。試驗(yàn)采用分級(jí)加載的方式，不但減少了一次性加載的盲目性和不精確性，而且其結(jié)果更加接近于錨固體的真實(shí)長期強(qiáng)度。根據(jù)常規(guī)單軸抗壓強(qiáng)度σc確定各級(jí)加載應(yīng)力水平，本試驗(yàn)取第一次設(shè)計(jì)荷載級(jí)別為10%σc，第二次設(shè)計(jì)荷載級(jí)別相應(yīng)提高10%σc，直到第五級(jí)設(shè)計(jì)荷載級(jí)別提高5%σc，以后每級(jí)荷載增量為5%σc，即荷載設(shè)計(jì)值分別為10，20，30，40，45 kN，直至試件破壞試驗(yàn)完成，每級(jí)荷載加載時(shí)間的確定須以蠕變?cè)隽繛榱慊蛘呷渥兯俾蕿槌?shù)為標(biāo)準(zhǔn)，本試驗(yàn)荷載恒定時(shí)間為24 h。整個(gè)試驗(yàn)室內(nèi)溫度保證穩(wěn)定波動(dòng)，保持在22℃,以保證試件蠕變變形的穩(wěn)定。

2.2 蠕變特性的分析

物體在外力作用下發(fā)生應(yīng)變及其應(yīng)力之間的定量關(guān)系稱為流變特性，這種應(yīng)變與物體性質(zhì)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，與物體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，也與時(shí)間有關(guān)。內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)可認(rèn)為是材料力學(xué)參數(shù)的損傷，因此流變?cè)囼?yàn)是有關(guān)時(shí)長、材料損傷程度的試驗(yàn)。本文蠕變特性的分析主要是采用流變力學(xué)和損傷力學(xué)的方法，分析蠕變損傷特征，確定合理的蠕變損傷演化方程中的參數(shù)。對(duì)試件1—1，2—2進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)，試件應(yīng)變與時(shí)間關(guān)系的試驗(yàn)曲線如圖1，圖2所示。

圖1 試件1-1不同應(yīng)力水平蠕變曲線

圖2 試件2-2不同應(yīng)力水平蠕變曲線

試件蠕變?cè)囼?yàn)過程中，在不同荷載水平下前期開始表現(xiàn)明顯的蠕變特征，經(jīng)過較短時(shí)間后應(yīng)變趨于穩(wěn)定，故作用在試件上的剪應(yīng)力存在一個(gè)應(yīng)力閥值，不過從整體方面看，變形量較小，可見錨桿的加入使蠕變量得到明顯的控制。目前描述非線性流變的一種重要方法是對(duì)模型理論進(jìn)行改進(jìn)，推導(dǎo)出新的流變模型。巖體或錨固系統(tǒng)在蠕變?cè)囼?yàn)過程中，隨著荷載水平的提高，經(jīng)歷粘彈、粘塑、粘脫3個(gè)特征階段。先根據(jù)前人對(duì)巖石流變?cè)囼?yàn)的結(jié)果，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法擬合出的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式(1)來描述錨固體的蠕變方程。

ε(t)=ε0+ε1(t)+ε2(t)+ε3(t)

(1)

式中:ε(t)—t時(shí)刻的應(yīng)變;

ε0—瞬時(shí)應(yīng)變;

ε1(t)、ε2(t)、ε3(t)—初始階段、等速階段與加速階段的應(yīng)變。

應(yīng)變關(guān)系反映了錨固體的蠕變損傷，錨固界面的蠕變損傷除了與應(yīng)力水平、應(yīng)力狀態(tài)和時(shí)間等因素相關(guān)之外，還與界面本身的性狀如界面的粗糙度、兩側(cè)材料強(qiáng)度的差異性等相關(guān)。在這里定義這些因素產(chǎn)生的影響為綜合損傷因子。在分析錨固界面蠕變損傷特性和損傷演化規(guī)律時(shí)，確定錨固體微變形尤為重要。綜上所述，研究錨固時(shí)，為更加準(zhǔn)確的描述錨固體的流變特性，我們?cè)趹?yīng)變前面乘以一個(gè)綜合損傷因子。

3 結(jié) 語

通過對(duì)室內(nèi)剪切流變?cè)囼?yàn)結(jié)果的分析，得到如下結(jié)論：

(1) 在蠕變?cè)囼?yàn)過程的前期,試件表現(xiàn)出明顯的蠕變特征，經(jīng)過2～3 h后，應(yīng)變基本趨于穩(wěn)定，臨界值稱為應(yīng)變閥值，其大小的確定須考慮綜合損傷因子。

(2) 通過觀察不同應(yīng)力水平下蠕變曲線類型，確定錨固體的流變?yōu)樗p蠕變變形，是定性分析蠕變分量與滯后回彈曲線的依據(jù)。

(3) 在試驗(yàn)過程中，由于蠕變效應(yīng)的存在，試件的長期強(qiáng)度必然低于瞬時(shí)強(qiáng)度，不同應(yīng)力水平下的應(yīng)變曲線對(duì)建立長期強(qiáng)度的參數(shù)指標(biāo)有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫 鈞.巖石流變力學(xué)及其工程應(yīng)用研究的若干進(jìn)展[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2007,26(6):1018￣1106.

[2]張振普.錨固體蠕變特性試驗(yàn)研究[J].鐵道建筑,2009(4):126—129.

[3]趙同彬.深部巖石蠕變特性試驗(yàn)及錨固圍巖變形機(jī)理研究[D] .青島:山東科技大學(xué),2009.

[4]唐紅梅.巖體結(jié)構(gòu)面蠕變損傷機(jī)理研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2009(3):357￣369.

[5]張清照.結(jié)構(gòu)面剪切蠕變特性及本構(gòu)模型研究[J].土木工程學(xué)報(bào).2011,44(7):128￣132.

[6]陽生權(quán).巖體力學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

[7]劉保國.泥巖蠕變損傷試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2010,29(10):2127￣2133.

[8]伍國軍.工程巖體非線性蠕變損傷力學(xué)模型及其應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2010,29(6):1184￣1191.